Файл: Ахмедов, Р. Б. Газ в народном хозяйстве Узбекистана.pdf

Глава V. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГАЗА И ПРОДУКТОВ ГОРЕНИЯ

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРИРОДНЫХ ГАЗОВ УЗБЕКИСТАНА

Природные газы Узбекской ССР делятся на углево­ дородные и смешанные (углеводородно-углекислые и углеводородно-азотные). По углеводородному составу газы подразделяются: метановые — при содержании го­ мологов метана до 1 % ; сухие — от 1,1 ДО 5 ,0 % ; легкие — от 5,1% до 10% и тяжелые — более 10%. Газы являются

Отдельные наиболее крупные месторождения Узбе­ кистана имеют следующий состав и физико-химическую характеристику газов.

.молекулярный вес газа —17,29, углеводородной части —

17,13.

Сероводород в газах всех горизонтов отсутствует, од­ нако после эксплуатации месторождения в течение неко­ торого периода отмечалось появление микроконцентра­ ций сероводорода в газах нескольких скважин IX горизонта.

М е с т о р о ж д е н и е С е в е р н ы й Мубаре к . Га-

.'Зы XVa горизонта сероводородно-углекисло-углеводо-

96

удельный вес—0,621, теплотворная способность — 8390 ккал/м3, молекулярный вес газа — 17,98, углеводо­ родной части — 17,43.

водородные, легкие и тяжелые с низким и очень низким содержанием углекислого газа и т. д.

Три указанных месторождения в основном характер­ ны по физико-химическим свойствам газа, хотя разли­ чаются по составу и характеристикам даже в пределах одного месторождения в зависимости от возраста отло­ жений.

В Узбекистане находят применение также и другие виды горючих газов — промышленные и подземной гази­ фикации углей (ПГУ) Ангренского месторождения буро­ го угля.

Примером могут служить ретуртные газы Чирчикского электро-химического комбината (ЧЭХК).

Ретуртные газы имеют следующий состав: СО—64%;

С02 = 24%; Н2 = 3%; NHS = 3%; N 2 = 6%;

= 2008 ккал/нм3.

ВИДЫ ГОРЕНИЯ ГАЗОВОГО ТОПЛИВА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ОРГАНИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ

В основе процессов горения лежит химическое взаи­ модействие топлива и окислителя (воздуха). Важная роль принадлежит Н. Н. Семенову в раскрытии цепного механизма реакций горения. Химическая сторона про­ цессов горения ныне широко освещена в печати, в том числе и в Узбекистане.

Рассмотрим несколько подробнее роль физических факторов, управляющих процессами горения.

Горючий газ до сжигания можно предварительно пе­ ремешать с необходимым для полного его сгорания ко­ личеством воздуха. Принцип сжигания такой однород­ ной газовоздушной смеси с коэффициентом избытка воздуха а ^ 1 условно называют кинетическим. Ско­ рость горения газа при этом совершенно не лимитирует­ ся такой медленно текущей стадией, как взаимная дифдузия горючего газа и окислителя.

Скорость реакции при кинетическом горении зависит от температуры и режима течения газовоздушной смеси. Скорость перемещения фронта пламени может соответ­ ствовать скорости нормального распространения пламе­ ни, когда воспламенение от фронта пламени передается исключительно теплопроводностью. При зажигании сме­ си во всем объеме или передаче воспламенения в объеме со сверхзвуковой скоростью ударной волной горение при кинетическом принципе сжигания носит взрывной харак­ тер.

Таким образом, при кинетическом сжигании газа продолжительность его полного сгорания лимитируется только временем, потребным на нагрев смеси и его вос­ пламенением тв, а также временем, потребным на протекание высокотемпературного окислителя газа с мо­ мента его воспламенения до завершения химической ре­

В отличие от этого горючий газ и воздух можно пода­ вать в топку раздельно. В этом случае каждая частица газа может вступить в реакцию лишь при условии, что к ней будет доставлена частица кислорода. Следователь­ но, если нагреть горючий газ до достаточно высокой тем­ пературы, то на поверхности, разделяющей газ и воздух, начнется горение. Благодаря взаимной диффузии между реагирующими компонентами постепенно в реакцию го­ рения будут вовлекаться все новые и новые частицы.

При таком сжигании газа процессы горения и обра­ зования газовоздушной смеси протекают в топочном объеме одновременно. Такой принцип сжигания газа называется диффузионным.

Очевидно, что времени для полного завершения процесса горения газа при диффузионном принципе сжи­ гания потребуется больше, чем при кинетическом. Обоз­

98

начим дополнительное время, необходимое для переме­ шивания компонентов тсм. Тогда время полного сгора­ ния газа при диффузионном сжигании

х = тв + Хх + хсм*

Горючий газ можно предварительно смешать лишь с частью воздуха, необходимого для горения. В этом слу­ чае недостающее количество воздуха поступит в объем пламени из окружающей среды. Такой принцип сжига­ ния предварительно перемешанной газовоздушной смеси с коэффициентом первичного воздуха а '< 1,0 называется смешанным. По сравнению с кинетическим или диффу­ зионным принципом сжигания время полного сгорания при этом занимает промежуточное значение. С увеличе­ нием коэффициента избытка первичного воздуха а' та­ кой процесс сжигания газа приближается к кинетическо­ му и становится таковым, начиная с <*'= 1,0. С уменьше­ нием же а' процесс, наоборот, приближается к диффу­ зионному и протекает по чисто диффузионному принци­ пу приа' =0.

Для этих условий время горения в целом практически полностью зависит от времени, идущего на смесеобразо­ вание:

Таким образом, в отличие от кинетического при диф­ фузионном принципе сжигания скорость горения при прочих равных условиях в сильной мере зависит от вре­ мени, необходимого на образование горючей газовоз­ душной смеси. Следовательно, улучшая смесеобразова­ ние, можно интенсифицировать процессы горения. Кроме того, регулируя процессы перемешивания газа и возду­ ха в объеме факела, можно управлять течением процес­ сов горения. Сказанное относится и к условиям сжига­ ния газа по смешанному принципу и тем в большей мере

99

чем меньше первичного воздуха содержится в исходной газовоздушной смеси.

Все рассмотренные способы сжигания горючих газов находят применение на практике. Кинетический принцип сжигания применяется в тех случаях, когда газ необхо­ димо сжигать с высокими тепловыми напряжениями без потерь тепла от химического недожога в сравнительно небольших установках, не требующих регулирования теплообменных характеристик факела.

Диффузионный принцип получил наиболее широкое распространение при сжигании газа в паровых котлах, металлургических печах, обжиговых печах промышлен­ ности строительных материалов, то есть там, где соче­ тается необходимость сжигания больших объемов газа с регулированием теплообменных характеристик фа­ кела.

Смешанный принцип сжигания применяется в ком­ мунально-бытовых установках.

а) Длина факела при сжигании газа по кинетическому принципу

При сжигании однородной стехиометрической газо­ воздушной смеси в ламинарном потоке поверхность фронта горения с некоторым приближением можно счи­ тать конической. Поверхность фронта горения при этом отделяет сжигаемую газовоздушную смесь от продуктов полного горения.

Одной из важнейших характеристик факела являет­ ся его химическая длина, под которой следует понимать расстояние вдоль оси факела от устья сопла до сечения,

вкотором прекращаются химические реакции.

Врассматриваемом случае за химическую длину фа­ кела можно принять высоту конуса, образованного по­ верхностью горения. Высоту конуса легко определить,

.если преобразовать формулу, по которой определяется скорость распространения пламени, следующим обра­ зом:

( 14)

100

где

V/nr2— среднерасходная скорость пото­ ка м!сек.

V — объемный расход смеси, ма)сек.~ г — радиус сопла, м.

Из формулы (14) видно, что длина факела растет" при увеличении радиуса горелки и средней скорости ис­ течения потока, а также при уменьшении нормальной скорости распространения пламени.

Поскольку уменьшение размеров отверстий для исте­ чения газовоздушной смеси способствует пропорцио­ нальному уменьшению длины факела, на практике ши­ роко применяется сжигание газа в пористых насадках или керамических плитках с множеством отверстий.

При кинетическом сжигании газа в турбулентном по­ токе благодаря появлению поперечных пульсаций ско­ рости наблюдаются следующие особенности.

При мелкомасштабной турбулентности, когда путь смещения I не превышает толщины фронта ламинарно­ го пламени, происходит волнообразное искривление по­ верхности пламени. При этом заметно увеличивается поверхность фронта пламени и ускоряется горение. 'С увеличением масштаба турбулентности I до величин, превышающих толщину фронта ламинарного пламени 5, происходит разрыв поверхности фронта пламени и его дробление на множество горящих объемов. При этом в значительной мере увеличивается суммарная поверх­ ность горения и сильно интенсифицируется горение.

По длине турбулентного кинетического факела мож­ но выделить три характерных участка: ядро факела LB%

Надежных методов расчета турбулентного кинетиче­ ского факела нет. Однако ориентировочное представле­ ние о длине такого факела можно получить, сделав ряд допущений.

Если предположить, что ядро факела имеет форму правильного конуса, а скорость истечения во всех точках

101